高压静电法制备多孔磁性壳聚糖微球_图文

1、Vol .29高等学校化学学报No .82008年8月CHE M I CAL JOURNAL OF CH I N ESE UN I V ERSI TI ES 16601664高压静电法制备多孔磁性壳聚糖微球胡巧玲,屈建,王征科,费若冲,柴飞,伍佳,王幽香(浙江大学高分子复合材料研究所,教育部高分子合成与功能构造重点实验室,杭州310027 摘要以壳聚糖(Chit osan,CS 为基质,通过共混法引入四氧化三铁磁性颗粒,以硅胶(Silicagel,S 为致孔剂,在热的Na OH 溶液中溶出硅胶致孔,采用高压静电法制备磁性壳聚糖微球.通过SE M 观察了微球的结构和形貌,并对微球结构和形貌的影响

2、因素及其制备工艺进行了系统的研究,结果表明,高压静电法制备的磁性硅胶/壳聚糖微球粒径可通过微量进样器的针头大小来控制,并且粒径分布均匀,实验重复性及可控性好;当以质量体积分数为5%的壳聚糖醋酸溶液(体积分数2%,M S M CS =41,用8号针头进样时,制得直径约为600m,孔洞分布均匀,孔径约为50m 的多孔磁性壳聚糖微球.由于磁性多孔壳聚糖微球中含有大量的活性羟基和氨基,因此显弱碱性,对酸性物质和金属离子的吸附作用很好,且可通过外加磁场进行有效分离.磁性多孔壳聚糖微球在生物分离及污水中的酸性染料处理方面具有潜在的应用价值.关键词壳聚糖;磁性微球;硅胶;高压静电法中图分类号O631;T B

3、332文献标识码A 文章编号025120790(20080821660205收稿日期:2008201209.基金项目:国家自然科学重点基金(批准号:50333020、国家自然科学基金(批准号:50773070及国家“九七三”计划(批准号:2005CB623902资助.联系人简介:胡巧玲,女,博士,教授,主要从事生物医用高分子材料研究.E 2mail:huqlzju .edu .cn磁性高分子微球具有高分子微球的众多特性和磁响应性能,其表面可结合各种功能分子,如酶、抗体、细胞、DNA 或RNA 等,因而在生物分离、磁靶向给药、固定化酶、免疫分析及测定和生物化学合成等领域得到了广泛的应用1,2.磁

4、性高分子微球的制备方法主要有共混法、聚合法和原位法.共混法是将磁性粒子分散于天然或合成的高分子溶液中,并通过雾化、沉积及蒸发等物理手段制得具有磁响应性能并具有一定粒径范围的磁性微球,通过范德华力、氢键、配位键或共价键等作用,使高分子链缠绕在磁性颗粒表面,形成聚合物磁性微球3,4.聚合法制备磁性微球是指在磁性粒子和聚合单体及共聚单体存在下,在引发剂、表面活性剂和稳定剂的作用下,共聚单体以磁性颗粒为种子,在磁性颗粒的表面发生聚合,形成聚合物磁性微球,主要包括悬浮聚合、乳液聚合、分散聚合及辐射聚合等57.原位法是将金属离子(如Fe 3+和Fe 2+渗透进聚合物内部,在强碱性条件下形成磁性聚合物微球8

5、.本文以壳聚糖为基质,通过共混法引入四氧化三铁磁性颗粒,以硅胶作致孔剂,在热的Na OH 溶液中溶出硅胶致孔,采用高压静电法制备磁性硅胶/壳聚糖微球,此方法的特点是可以通过选择喷射针头的大小来控制微球的粒径,且粒径分布均一.1实验部分1.1实验原料及设备壳聚糖(医用级,青岛海汇生物工程有限公司,M =5613×104,脱乙酰度为91%,乙酸(分析纯,杭州化学试剂有限公司,盐酸(分析纯,杭州化学试剂有限公司,氢氧化钠(分析纯,杭州萧山化学试剂厂,四氧化三铁(化学纯,中国医药集团化学试剂有限公司,硅胶m (Si O 2n (H 2O ,200300目,中国医药集团化学试剂有限公司.微量进

6、样器(浙江大学医学仪器有限公司,高压静电发生器(浙江大学医学仪器有限公司,恒温振荡器(T HZ 2C,江苏太仓实验设备厂,超声设备(K Q 250DB ,昆山超声仪器有限公司,pH 计(雷磁PHS 23C .1.2多孔磁性壳聚糖微球的制备称取一定量的壳聚糖粉末加入到体积分数为210%的乙酸溶液中,制备出的壳聚糖溶液(质量体Schem e 1Sche ma ti c d i a gram of prepar i n g magneti c ch itos an m i crosphere i n h i gh volt age electrost a ti c f i eldA.H igh 2v

7、oltage elctr ostatic generat or;B.m icr o 2syringe;C .inject or;D.coagulating liquid .积分数,下同分别为210%,310%,410%,510%.按m CS /m Fe 3O 4为97/3称取一定量的Fe 3O 4,按m S /m CS 为11,21,31和41分别称取一定量的硅胶粒子,然后分次加入到壳聚糖溶液中,剧烈搅拌2h,静置脱泡.取一定量的溶液注入50mL 针筒,以不同型号的针头,安装于微量进样器上,高压静电制备微球,实验装置如Sche me 1所示.用磁铁分离出制备的复合微球,将其放入80的质量分数为

8、510%的Na OH 溶液中浸泡2h,溶解微球中的硅胶致孔,然后用去离子水洗去残留在微球中的Na OH,于室温自然凉干.1.3表征将不同条件下制得的壳聚糖微球用OLY MP US CKX 241光学显微镜进行初步观察、拍照.将样品用LS320,coulter 激光粒径分析仪进行粒径及其分布分析.采用H itachi S 2520(日立,日本扫描电子显微镜观察经喷金处理的样品表面.采用R igaku D /max 2550PC X 射线衍射仪(Cu K,40kV,300mA 对样品进行扫描(扫描速度10°/m in,扫描范围5°70°.2结果与讨论2.1高压静电法制

9、备多孔磁性壳聚糖微球的原理壳聚糖在质子酸中溶解,在碱中析出;硅胶在Na OH 溶液中于常温下稳定存在,高温下溶解;磁性Fe 3O 4颗粒在该体系中能稳定存在.根据这些基本特性,将磁性Fe 3O 4颗粒/硅胶/壳聚糖混合的乙酸溶液经高压静电法滴入氢氧化钠凝固浴中,液滴中质子化的壳聚糖将被Na OH 中和而层层沉析,Fe 3O 4与硅胶被就地淹埋在壳聚糖凝胶中9,形成微球(见Sche me 2.在80下,Na OH 可以渗过壳聚糖凝胶,进入微球内部,将硅胶溶去,形成多孔结构 .Sche m e 2Prec i p it a ti on process of magneti c ch itos an

10、 m i crosphere2.2高压静电法制备多孔磁性壳聚糖微球的工艺高压静电法制备多孔磁性壳聚糖微球有5个比较重要的影响参数:壳聚糖浓度、凝固液浓度、高压静电压U 、注射泵的进样速度v 和针头与凝固液液面之间的距离D .通过改变这些参数,可以制备出不同的壳聚糖微球.当固定Na OH 浓度为014mol/L 时,改变壳聚糖溶液质量体积分数分别为210%,310%,410%,510%,用高压静电法制备微球.从图1可以看出,壳聚糖质量体积分数为210%和310%时,制备得到的微球形状不完整,当壳聚糖质量体积分数提高到410%和510%时,得到的微球形态良好,且大小均1661No .8胡巧玲等:高

11、压静电法制备多孔磁性壳聚糖微球一,无明显缺陷.选定壳聚糖质量体积分数为510%,改变Na OH 浓度分别为011,012,013和014mol/L,用高压静电法制备微球.从图2可以看出,Na OH 浓度为011和012mol/L 时,微球有拖尾和形变等缺陷;而浓度提高到013及014mol/L 时,缺陷基本消失.以浓度为014mol/L 时的形态最佳.最终确定Na OH 的最佳浓度为014 mol/L.F i g .1O pti ca l photographs of m i crospheres prepared a t d i ffreren t ch itos an ma ss 2vol

12、u m e fracti on sc (Na OH =014mol/L;chit osan mass 2volume fracti on:(A 2%;(B 3%;(C 4%;(D 5%.F i g .2O pti ca l photographs of m i crospheres prepared w ith d i ffreren t sod i u m hydrox i de concen tra ti on sc (Na OH /(mol L -1:(A 011;(B 012;(C 013;(D 014.CS mass 2volume fracti on:5%.在确定壳聚糖和凝固液浓度

13、后,固定v =5mL /h,D =710c m ,研究静电压U 对微球粒径分布的影响.根据图3不同电压下微球的粒径分布情况,U 分别为10,15和20kV 时微球平均粒径分别为587,521和510m , 可见,随着电压的升高,微球平均粒径随之减小.相比U 为20k V 时粒径分布最窄.F i g .3Parti cle si ze d istr i buti on of ch itos an m i cro 2spheres w ith d i fferen t st a ti c volt agesThe other para meters fixed:v =5mL /h,D =710c

14、m. U =20kV;U =15kV;U =10kV.F i g .4Parti cle si ze d istr i buti on of ch itos an m i cro 2spheres w ith d i fferen t d ist ances between p i n 2head and li qu i d surface The other para meters fixed:v =5mL /h,U =20kV.当固定v =5mL /h,U =20k V,D 分别为910,710,310c m 时(图4,微球平均粒径分别为476,510和666m ,可见随着距离的减小,微球

15、平均粒径随之增大,这可能是由于微球在静电压作用下产生形变,在空中下落过程中会有一个形变的回复过程,距离过小,产生的形变不能有效地回复,造成了平均粒径的变大;而距离足够大时,形变有效地回复,平均粒径减小.D 为710时粒径分布最窄.当固定U =20kV ,D =710c m ,v 分别为110,210,510mL /h 时,微球的平均粒径分别为552,531和506m ,可见随着喷射速度的增大,微球平均粒径逐渐减小(图5,这可能是由于流速减小,液滴停留在针尖的时间就更长,形成的液滴直径就更大,同时由于电压的存在,限制了液滴不可能显著地膨胀,因此实验得出的3个平均粒径的数据差别不大.同时,随着流速

16、的增加,微球的分散度减小,这同样可能是由于流速增加,液滴停留在针尖的时间就更短,由于静电压对液滴造成一定的不规则形变2661高等学校化学学报Vol .29F i g .5Parti cle si ze d istr i buti on of ch itos an m i cro 2spheres w ith d i fferen t flow veloc ityThe other para meters fixed:U =20kV,D =710c m.V =110mL /h;U =210mL /h;U =510mL /h .的程度降低,因此微球的分散度就减小.采用同样方法研究磁性硅胶/壳聚糖微

17、球的制备参数,综合微球的各种性能,确定U =20k V,v =510mL /h,D =710910c m.2.3多孔微球的结构形貌分析图6(A 中m S m CS =11时,微球直径约为500m ,表面较光滑,有一定塌陷,由于微球在干燥过程中受重力作用,并且微球上、下表面水分挥发速度不同导致其收缩不均匀.图6(B 中m S m CS =41时,微球直径约为600m ,微球表面和内部存在许多连通的孔洞,具有较大的比表面积.由图6(C 和(D 可知,孔洞直径约为50m ,基质与无机物没有出现分相,说明颗粒分散较均匀,没有明显团聚.在前驱液中,壳聚糖带正电荷,硅胶带负电荷,由于电荷作用,硅胶较好地分

18、散于壳聚糖溶液中.磁性颗粒带正电荷,与Si O 2具有较好的亲和性;此外,Fe 元素具有空轨道,可与壳聚糖形成配位键10,11.因此,无机物在壳聚糖溶液中可以均匀分散 .F i g .6SE M m i crographs of magneti c ch itos an porous m i crospherem S m CS :(A 11;(B 41;(C 41;(D 41.2.4微球组成分析分别将纯壳聚糖、多孔磁性壳聚糖微球和磁性硅胶/壳聚糖微球进行XRD 分析,从图7的XRD 衍射峰可见,2=2012°和1016°的峰是壳聚糖基质的特征衍射峰,由于壳聚糖基质的结晶性较

19、差,故其F i g .7X 2ray d i ffracti on pa ttern s of pure ch itos an (a ,magneti c ch itos an porous m i crosphere (b ,magnetite /sili ca gel/ch itos an m i cro 2sphere before sili ca gel d issolved(c 峰是弥散的宽峰.同时从图7可见,随着无机物含量的增加,壳聚糖基质的衍射峰由强变弱,且逐渐变宽,这是因为无机物的引入破坏了壳聚糖分子链间的氢键作用,使其结构的有序性被破坏,导致结晶度降低.图7谱线c 在3010

20、2°,35142°,62156°处出现的峰为Fe 3O 4的特征衍射峰,在20°30°范围内出现了较大的弥散峰,这是无定形Si O 2和一些玻璃体物质的特征.比较图7中谱线a,b,c ,在20°30°区域内,a 与b 相似,而没有谱线c 在该处的弥散峰,说明多孔磁性壳聚糖微球中硅胶基本除去;谱线b 与c 中磁性物质的衍射峰基本一致,表示在硅胶的溶出过程中对磁性颗粒基本没有影响.以壳聚糖为基质,以硅胶作致孔剂,通过共混法引入四氧化三铁磁性颗粒,在热的Na OH 溶液中溶出硅胶致孔,采用高压静电法制备磁性硅胶/壳聚糖微球,通过S

21、E M 观察其结构和形貌,并对影响微球结构和形貌的因素及其制备工艺进行了系统研究.结果表明,高压静电法制备的磁性硅胶/壳聚糖微球其粒径可通过微量进样器的针头大小来控制,并且粒径分布均匀,实验重复性和可控性好;当以质量体积分数5%的壳聚糖/醋酸溶液(体积分数2%,m S m CS =41用8号针头进样时,制得直径约为600m ,孔洞分布均匀,孔径约为50m 的多孔磁性壳聚糖微球.由于磁性多孔壳聚糖微球中含3661No .8胡巧玲等:高压静电法制备多孔磁性壳聚糖微球4661高等学校化学学报Vol.29有大量的活性基团羟基和氨基,显弱碱性,对酸性物质和金属离子有很好的吸附,且可通过外加磁场进行有效分

22、离,所以磁性多孔壳聚糖微球在生物分离、污水中的染料处理方面的应用正在进行中.参考文献1Helseth L.E.,W en H.Z.,Hansen R.W.,et al.Lang muirJ,2004,20(17:732373322Palecek E.,Fojta M.,Jelen F.B i oelectr ochem istryJ,2002,56(1/2:85903AN Xiao2N ing(安小宁,S U Zhi2Xing(苏致兴.Journal of Lanzhou University,Natural Science Editi on(兰州大学学报,自然科学版J,2001,37(2:1

23、001044WANG Q iang2B in(王强斌,G U Hong2Chen(古宏晨,ZHU Yi2Hua(朱以华,et al.Journal of East China University of Science andTechnol ogy,Natural Science Editi on(华东理工大学学报,自然科学版J,2002,28(1:47505AN L i2Juan(安丽娟,L I Zhao2Q iang(李兆强,XU W ei(徐娓,et al.Chem.J.Chinese Universities(高等学校化学学报J,2005,26(2:3663696AN L i2Juan

24、(安丽娟,L I Zhao2Q iang(李兆强,WANG Yan2Ping(王燕萍,et al.Che m.J.Chinese Universities(高等学校化学学报J,2006,27(7:137213757X I E Gang(谢钢,ZHANG Q iu2Yu(张秋禹,LUO Zheng2Ping(罗正平,et al.Acta Poly merica Sinica(高分子学报J,2002,(3:3143188HU Q iao2L ing(胡巧玲,CHEN Fu2Ping(陈福平,L IBao2Q iang(李保强,et al.Che m.J.Chinese Universities(高

25、等学校化学学报J,2005,26(10:196019629HU Q iao2L ing(胡巧玲,Q I A N Xiu2Zhen(钱秀珍,L IBao2Q iang(李保强,et al.Che m.J.Chinese Universities(高等学校化学学报J,2003,24(3:52853110ZHANG Xiu2Jun(张秀军,LANG Hui2Yun(郎惠云,W E I Yong2Feng(魏永峰,et al.Chin.J.App lied Che m.(应用化学J,2003,20:74975211N iet o J.M.,Peniche C.,Bosque J. D.Carbohyd

26、r.Poly m.J,1992,18:221224Prepara ti on of PorousM agneti c Ch itos an M i crospherevia H i gh Volt age Electrost a ti c M ethodHU Q iao2L ing3,QU J ian,WANG Zheng2Ke,FE I Ruo2Chong,CHA I Fei2Ben,WU J ia,WANG You2Xiang (Key laboratory of M acro m olecule Synthesis and Functionalization,M inistry of Education,Institute of Polym er Co m posites,Zhejiang U niversity,Hanghzou310027,ChinaAbstractPor ous magnetic chit osan m icr os pheres with average dia meter about600m were p repared by high voltage electr ostatic method thr ough m